Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Методы и средства измерения параметров спектра оптического излучения 12
1.1 Спектральные параметры оптического излучения 12
1.2 Средства измерения параметров спектра оптического излучения 15
1.3 Задачи оперативного контроля параметров спектра узкополосного оптического излучения 22
1.3.1 Источники узкополосного оптического излучения 22
1.3.3 Задачи контроля параметров узкополосного оптического излучения 27
в условиях реального времени 27
1.4 Измерение центральной длины волны узкополосного оптического излучения двухканальным фотоэлектрическим преобразователем. 28
Выводы 30
Глава 2 Измерение параметров спектра оптического излучения двухканальными фотоэлектрическими преобразователями 33
2.1 Постановка задачи 33
2.3 Методическая погрешность определения центральной длины волны оптического излучения двухканальным фотоэлектрическим преобразователем 40
с гауссовыми спектральными характеристиками фотоприемников 40
2.4 Измерение параметров спектра узкополосного оптического излучения двухканального фотоэлектрического преобразователя с линейными спектральными характеристиками фотоприемников
2.5 Погрешность измерения параметров узкополосного оптического излучения двухканальным фотоэлектрическим преобразователем с линейными спектральными характеристиками фотоприемников 47
2.8 Влияние шума на результат измерения параметров спектра оптического излучения двухканальным фотоэлектрическим преобразователем 48
Выводы 53
Глава 3 Экспериментальная установка для измерения параметров спектра узкополосных оптических сигналов 55
3.1 Экспериментальная установка на основе двухканального фотоэлектрического преобразователя с линзовой оптической схемой 55
3.2 Экспериментальная установка с оптоволоконной схемой деления оптического излучения 58
3.3 Фотоэлектрический преобразователь. 60
3.4 Алгоритм работы микроконтроллера и калибровка экспериментальной установки с оптоволоконной схемой деления оптического излучения 65
3.5 Инструментальная погрешность экспериментальной установки с оптоволоконной схемой деления оптического излучения 67
3.6 Быстродействие экспериментальной установки 70
Выводы 72
Глава 4 Исследование метрологических характеристик экспериментальной установки с двухканальным фотоэлектрическим преобразователем и оптоволоконной схемой деления оптического излучения 73
4.1 Результаты сравнительных измерений параметров спектра излучения светодиодов 73
4.3 Погрешность аппроксимации спектра СИД функциями различного вида 77
4.2 Исследование характеристик экспериментальной установки с оптоволоконной схемой деления оптического излучения 80
4.3 Исследование сдвига центральной длины волны излучения светодиода при изменении температуры кристалла в динамическом режиме работы 86
4.5 Применение измерителей параметров узкополосного оптического излучения с двухканальным фотоэлектрическим преобразователем 96
Выводы 98
Заключение 100
Список литературы 101
- Задачи оперативного контроля параметров спектра узкополосного оптического излучения
- Измерение параметров спектра узкополосного оптического излучения двухканального фотоэлектрического преобразователя с линейными спектральными характеристиками фотоприемников
- Алгоритм работы микроконтроллера и калибровка экспериментальной установки с оптоволоконной схемой деления оптического излучения
- Исследование сдвига центральной длины волны излучения светодиода при изменении температуры кристалла в динамическом режиме работы
Введение к работе
Актуальность проблемы. Во многих современных технических системах необходим контроль параметров спектра оптического излучения в динамическом режиме. Такие задачи возникают, например, в системах оптической связи со спектральным уплотнением, при работе источников оптического излучения в импульсных режимах и измерении параметров коротких импульсов оптического излучения, при кратковременном воздействии на источник оптического излучения внешних факторов и др. При этом требования к быстродействию и точности измерения параметров спектра постоянно возрастают. Низкое быстродействие приборов, построенных на основе спектрального метода, ограничивает возможности применения этих средств для решения таких задач.
Методы и средства измерения параметров спектра оптического излучения в динамических режимах с применением многоэлементных фотоприемников, таких как ПЗС- и КМОП-линейки и матрицы, развиты в работах А.А. Вилисова, А.М.Филачева, Г.И. Леоновича, В.М. Смелкова, R. Willsch, W. Ecke и др. Однако достигнутый уровень быстродействия таких средств с учетом времени считывания и обработки сигналов таких фотоприемников составляет в лучшем случае десятки микросекунд.
В последние годы в работах А.В. Крайского, Т.Т. Султанова, Т.В. Мироновой и других авторов активно разрабатываются быстродействующие методы и средства измерения параметров спектра излучения с использованием двух фотоприемников с различающимися спектральными характеристиками. Однако, в известных устройствах, основанных на этом принципе, реализуется алгоритм измерения только центральной длины волны излучения. Результаты исследований влияния электрических шумов фотоприемников и отклонения их спектральных характеристик от заданной формы на точность измерения параметров спектра в литературе не приводятся. Оценки инструментальной погрешности разработанных устройств отсутствуют. Вместе с тем такие устройства находят все более широкое применение и потребность в них постоянно возрастает.
Таким образом, повышение точности быстродействующих двухканальных фотоэлектрических преобразователей для измерения параметров спектра оптического излучения в широком диапазоне длин волн излучения является актуальной задачей.
Цель исследования – повышение точности и расширение функциональных возможностей двухканальных фотоэлектрических преобразователей (ДФЭП) для измерения параметров спектра узкополосного оптического излучения.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие основные задачи:
-
Разработать и исследовать алгоритмы определения в едином измерительном цикле центральной длины волны и ширины спектра оптического излучения по сигналам двух фотоприемников с различающимися спектральными характеристиками.
-
Оценить погрешности измерения параметров спектра оптического излучения ДФЭП при различных способах аппроксимации спектральных характеристик фотоприемников.
-
Методами компьютерного моделирования оценить влияние аддитивных и мультипликативных электрических шумов фотоприемников и измерительных каналов ДФЭП на погрешность определения параметров спектра оптического излучения.
-
Разработать экспериментальную установку на основе ДФЭП для измерения параметров спектров оптических сигналов в динамическом режиме и исследовать ее метрологические характеристики.
-
Провести экспериментальное исследование и оценку метрологических характеристик разработанной установки на примере измерения параметров спектра светодиодов в динамических режимах их работы.
Методы исследований. При решении поставленных задач использовались методы теории электрических цепей, методы обработки электрических сигналов, теории случайных процессов, теории погрешностей, теории вероятности и математической статистики, численные методы с применением ЭВМ, методы компьютерного моделирования.
Научная новизна.
-
Впервые предложены и исследованы оригинальные алгоритмы измерения в едином измерительном цикле центральной длины волны и ширины спектра оптического излучения по сигналам двух фотоприемников с различающимися гауссовыми и линейными спектральными характеристиками.
-
Проведена оценка методической погрешности измерения длины волны монохроматического оптического излучения ДФЭП с различающимися гауссовыми и линейными спектральными характеристиками фотоприемников.
-
Проведен анализ точности аппроксимации спектральных характеристик реальных оптических фильтров различными функциями. Показано, что, средне-квадратическое отклонение (СКО) аппроксимации спектральных характеристик реальных светофильтров сплайнами третьего порядка в 2,2 раза меньше по сравнению с СКО аппроксимации гауссовой функцией.
-
Методами компьютерного моделирования исследовано влияние мультипликативных и аддитивных составляющих шума фотоприемников и измерительных каналов ДФЭП на погрешность измерения центральной длины волны и ширины спектра. Установлено, что погрешность измерения параметров спектра излучения, обусловленная аддитивными шумами, минимальна при центральной длине волны излучения, лежащей в середине между максимумами спектральных характеристик фотоприемников.
-
Показано, что спектр излучения светодиодов (СИД) более точно описывается суперпозицией двух гауссовых функций; такая аппроксимация позволяет уменьшить погрешность измерения параметров спектра светодиодов ДФЭП в 3 раза по сравнению с аппроксимацией спектра СИД одной гауссианой.
-
Предложен способ измерения теплового импеданса СИД по изменению его спектра излучения при широтно-импульсной модуляции рабочего тока.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Проведенные исследования позволили повысить точность измерения центральной длины волны и ширины спектра узкополосного оптического излучения
ДФЭП со спектральными характеристиками гауссовой формы. На основе проведенных исследований:
- разработана экспериментальная установка на основе ДФЭП для измерения
параметров спектра оптического излучения в динамическом режиме;
получены переходные тепловые характеристики и определены тепловые параметры СИД по сдвигу их спектра в импульсном режиме работы;
предложен способ и устройство измерения теплового импеданса СИД по изменению его спектра излучения при широтно-импульсной модуляции рабочего тока СИД;
Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при разработке оптоэлектронных средств оперативного контроля параметров спектра узкополосного излучения (например, при контроле качества СИД).
На защиту выносятся:
1. Алгоритмы измерения центральной длины волны и ширины спектра узкопо
лосного оптического излучения, аппроксимируемого гауссовой функцией, двумя
фотоприемниками с гауссовыми и линейными спектральными характеристиками.
2. Оценки методической погрешности измерения центральной длины волны
монохроматического оптического излучения ДФЭП с гауссовыми и линейными
спектральными характеристиками фотоприемников.
3. Результаты математического моделирования влияния аддитивных и муль
типликативных электрических шумов измерительных каналов ДФЭП со спек
тральными характеристиками фотоприемников гауссовой формы на точность из
мерения параметров спектра оптического излучения.
-
Рекомендации по повышению точности ДФЭП путем выбора функции, аппроксимирующей спектральные характеристики реальных оптических фильтров с минимальной погрешностью.
-
Рекомендации по снижению погрешности измерения параметров спектра СИД ДФЭП путем выбора комбинации функций, аппроксимирующей спектры СИД с минимальным СКО.
6. Способ измерения теплового импеданса СИД по амплитуде изменения цен
тральной длины волны его излучения при широтно-импульсной модуляции рабоче
го тока.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской (до 2014 года – региональной) школе-семинаре «Актуальные проблемы физической и функциональной электроники» (г. Ульяновск, 2010 г., 2011 г., 2013 г., 2014 г., 2015 г.), на Всероссийской конференции молодых ученых «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика» (г. Саратов, 2012 г., 2013 г., 2014 г.), Всероссийской научно-практической конференции «Современные проблемы создания и эксплуатации радиотехнических систем» (г. Ульяновск, 2010 г., 2011 г., 2013 г., 2015 г.), Международной научно-технической конференции «Фундаментальные проблемы радиоэлектронного приборостроения» (г. Москва, INTERMATIC-2013 г., 2014 г., 2015 г.).
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные алгоритмы и быстродействующие средства измерения параметров спектра узкополосного оптического излучения использованы при выполнении проекта №1514 «Моделирование и
исследование теплоэлектрических процессов в гетероструктурах светоизлучающих приборов при их работе в динамических режимах» базовой части государственного задания в части научной деятельности Задания 2014/232 Ульяновского государственного технического университета, а также в УФИРЭ им. В. А. Котельникова РАН при выполнении НИР по договору № И2014-15 от 02 июля 2014 г. на выполнение составной части прикладных научных исследований по соглашению о предоставлении субсидии от 05.06.2014 г. 14.607.21.0010 (уникальный идентификатор RFMEFI60714X0010) между Минобрнауки РФ и НТЦ микроэлектроники РАН по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы» (мероприятие 1.3).
Личный вклад автора. Основные научные результаты получены автором лично. Реализация ряда экспериментов осуществлялась при содействии сотрудников кафедр «Радиотехника» и «Радиотехника, опто- и наноэлектроника» Ульяновского государственного технического университета.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 26 научных работы, включая 10 научных статей (в том числе 6 статей в изданиях из перечня ВАК), 16 тезисов докладов на научно-технических конференциях и семинарах.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 154 наименования. Общий объем диссертации составляет 115 страниц и содержит 9 таблиц, 42 рисунка, 2 приложения.
Задачи оперативного контроля параметров спектра узкополосного оптического излучения
Согласно определению оптическое излучение это электромагнитное излучение с длиной волны в диапазоне от 1 нм до 1 мм. К оптическому излучению, помимо воспринимаемого человеческим глазом видимого излучения, относятся инфракрасное излучение и ультрафиолетовое излучение. Термином «свет» зачастую обозначают лишь видимый поддиапазон оптического излучения.
Существует несколько подходов к описанию свойств оптического излучения: на основе энергетического представления, на основе понятия цветности, на основе спектрального описания и др.
В основе понятия цветности лежит идея о представлении спектрального состава оптического излучения в виде трехмерного вектора некоторого цветового пространства [1, 6, 40]. При этом задача определения цвета сводится к нахождению координат вектора цвета в данном цветовом пространстве. Выбор цветового пространства (колориметрической системы) обусловлен конкретными физическими условиями определения цвета.
Наиболее полная информация о цвете излучения заключена в функции его спектрального распределения, однако взаимно однозначного соответствия между цветом излучения и его спектральным составом не существует. По современным представлениям для достаточно полного описания цвета необходимо не менее трех параметров излучений [32, 78]. На основе этих представлений были разработаны различные системы отображения цвета, подробную информацию о которых можно найти в [29, 31, 59, 101, 111, 124, 131, 141]. Одним из наиболее распространенных способов описания цвета является его трехкомпонентное представление, основывающееся на предположении, что любой цвет можно получить смешением в различных пропорциях трех основных цветов: С = Rc-R +GC -G +ВС-В , (1.1) где R, G и B – единичные количества основных цветов, RC, GC и BC – количества основных цветов, необходимые для получения цвета C. Эта идея явилась основой создания известной цветовой системы XYZ [22, 58]. В любой колориметрической системе цветовой треугольник можно строить в трехлинейной или прямоугольной системе координат. Наибольшее применение получил прямоугольный треугольник с координатами цветности Х и У.
Система XYZ нашла широкое применение в измерениях цвета. Однако в процессе ее использования были выявлены некоторые недостатки: неточность вычисления цветности некоторых отражающих образцов и несоответствие этих вычислений результатам субъективных измерений цвета.
Существуют и другие системы представления цветов, например, равноконтрастный график Джадда, цветовые модели CIELAB и CIELUV и другие системы, основанные на вышеописанном представлении [58] и [31].
В случае узкополосного или монохроматического излучения использование цветовых систем не всегда целесообразно, поскольку в этом случае доминирует излучение на одной длине волны, и при определении цветовых компонентов появляются значительные погрешностей.
Наряду с цветовыми системами оптическое излучение может быть описано спектральным способом. В этом случае излучение характеризуется формой спектра, длиной волны в максимуме (или центральной длиной волны) и шириной спектра по заданному уровню. Для получения функции спектрального распределения, как источника наиболее полной информации об излучении, реальная характеристика может быть аппроксимирована математической функцией, имеющей наименьшее среднеквадратическое отклонение от реальной характеристики. Заметим, что используя полученную математическую функцию спектра можно перейти к координатам цвета в одной из цветовых систем.
Спектры реальных источников оптического излучения, используемых для освещения или для световой обработки материалов в технологических процессах, весьма разнообразны: от широкого спектра ртутных ламп, до спектра инфракрасного излучения раскаленных металлических нитей. Во многих технических и исследовательских приложениях широкое применение получили источники узкополосного оптического излучения, основная мощность которого сконцентрирована в относительно узкой полосе длин волн излучения.
По определению, сигнал называется узкополосным, если его спектральная плотность значимо отлична от нуля лишь в пределах частотных интервалов шириной f, образующих окрестности точек вокруг центральной частоты f0, причем должно выполняться условие f/f0 1. Данное правило применимо и для оптического излучения. Оптическое излучение можно считать узкополосным, если полоса длин волн оптического излучения много меньше его центральной длины волны, т.е. должно выполняться соотношение /0 1. Типичный спектр узкополосного оптического излучения представлен на рисунке 1.1.
Как уже отмечалось для описания спектра узкополосного оптического излучения в большинстве практических случаев достаточно задать форму спектральной характеристики (как правило, симметричную) и два параметра: центральную длину волны и ширину спектра излучения. Для более точного описания спектра узкополосного оптического излучения реальных источников необходимо учитывать его асимметрию.
Измерение параметров спектра узкополосного оптического излучения двухканального фотоэлектрического преобразователя с линейными спектральными характеристиками фотоприемников
Во многих технических приложениях необходимо решать задачи оперативной оценки параметров спектра в реальном масштабе времени, например, при воздействии на источник излучения или среду распространения оптического излучения быстропеременного внешнего фактора. Современные средства измерения параметров спектра источников излучения, построенные на спектральных методах и на многоэлементных фотоэлектрических преобразователях, имеют недостаточное быстродействие и не пригодны для регистрации изменения спектров за время менее 1 мс. Известные быстродействующие методы измерения и контроля на основе двух фотоприемников с различающимися спектральными характеристиками, как показано в главе 1, позволяют измерять один параметр – центральную длину волны излучения.
Задача совершенствования средств измерения состоит в возможности быстрого определения нескольких параметров спектра узкополосного оптического излучения, таких как центральная длина волны, ширина спектра, амплитуда, асимметрия спектра. В данной главе диссертационной работы показана возможность определения нескольких параметров спектра узкополосного оптического излучения с применением двух фотоэлектрических преобразователей с известными спектральными характеристиками [86, 87, 89].
Алгоритм определения параметров спектра узкополосного оптического излучения двумя фотоприемниками с гауссовыми спектральными характеристиками
При проектировании измерительной аппаратуры основным является вопрос об однозначности определения параметров оптического излучения. Формально задача определения параметров спектра узкополосного оптического излучения, спектральная характеристика которого может быть описана гауссовой функцией с тремя неизвестными параметрами: центральная длина волны х х , ширина спектра а х и амплитуда АХ - может быть решена на основе системы трех уравнений вида (1.2) [92]. Задачу можно упростить, если учесть особенности узкополосного излучения и использовать двухканальный фотоэлектрический преобразователь (ДФЭП), состоящий из двух фотоприемников с идентичными по форме спектральными характеристиками гауссова вида, смещенными относительно друг друга: где я, 1 и х2 — длины волн, соответствующие максимуму функций S1(X) и s2(X) соответственно, а O1 и а2 — параметры этих функций, характеризующие их ширину, А10 и А20 - параметр, определяющий чувствительность фотоприемников (рис. 2.1). Характеристики вида (2.1) легко реализуются путем применения широкополосных фотоприемников и полосовых фильтров с гауссовыми характеристиками пропускания [90, 125]. С помощью нейтральных фильтров интегральную чувствительность обоих фотоприемников ДФП можно сделать одинаковой и без ограничения общности дальнейшего рассмотрения можно положить А10=А20=А0.
Измерение светового потока двумя фоточувствительными элементами Спектр излучения по аналогии с [90] представим также гауссовой функцией: Y х(Х) где хХ — длина волны, соответствующая максимуму функции спектрального распределения излучения гx (х) , А х - параметр, определяющий интенсивность излучения, а - параметр функции, характеризующий ширину спектра.
Алгоритм работы микроконтроллера и калибровка экспериментальной установки с оптоволоконной схемой деления оптического излучения
Заметим, у ДФЭП с нормированными гауссовыми спектральными характеристиками фотоприемников и тем же рабочим диапазоном длин волн погрешность измерения центральной длины волны будет примерно в три раза меньше (см. рис. 2.3). Следовательно, использование в ДФЭП фотоприемников с гауссовыми спектральными характеристиками является предпочтительным.
При проведении измерений параметров спектра узкополосного оптического излучения в реальных условиях необходимо учитывать влияние мультипликативных и аддитивных составляющих шума возникающие в каналах ДФЭП, таких как дробовые шумы, шумы вызванные засветкой, а также шумы усилителя и др. [11, 12, 13].
Для оценки влияния шума на результат определения центральной длины волны и ширины спектра узкополосного оптического излучения представим шум в виде аддитивной и мультипликативной составляющих. Анализ проведем путем компьютерного моделирования с использованием стандартных генераторов случайных чисел.
Рассмотрим случай измерения параметров спектра излучения с гауссовым спектром с помощью ДФЭП со спектральными характеристиками фотоприемников гауссова вида одинаковой ширины. В этом случае параметры спектра излучения определяются из решения системы уравнений (2.10).
Аддитивная составляющая шума и ш не зависит от величины принимаемого сигнала [81]. Пусть на выходе фотоприемника, наряду с измеряемым сигналом присутствует шум, равномерно распределенный по частотной области. Тогда выражение (2.3) примет вид: 1000 U = [S Y d% + U К , (2.32) п J п X ш ш где к = rnorm (N,M,D) - вектор случайных чисел с нормальным законом распределения, N=100 - количество случайных чисел, М = 0 - математическое ожидание случайной величины, D - дисперсия шума, Uш - уровень шумового сигнала, п - номер фотоприемника.
Проведенный анализ решения системы уравнений для зашумленного сигнала показал, что уровень шума в наибольшей степени влияет на точность измерения ширины спектра излучения, что в свою очередь несколько увеличивает погрешность определения центральной длины волны излучения. На рисунках 2.102.13 показаны графики зависимости СКО ширины спектра и центральной длины волны излучения в зависимости от отношения сигнал/шум при различных значениях центральной длины волны и ширины спектра излучения, где СКО рассчитано по формулам: а расчетные значения соответственно ширины спектра и длины волны излучения, отношение сигнал/шум рассчитано по формуле:
Зависимость значения СКО длины волны от отношения сигнал/шум при аддитивном шумовом воздействии для различных значений центральной длины волны оптического излучения Рис. 2.13. Зависимость значения СКО ширины спектра от отношения сигнал/шум при аддитивном шумовом воздействии для различных значений центральной длины волны оптического излучения
Из рисунка 2.12 видно, что при отношении сигнала к шуму менее 60 дБ СКО ширины спектра начинает резко возрастать и при 45 дБ ширину спектра определить не удается. Влияние шумов на результат измерения центральной длины волны сказывается значительно меньше. Допустимое значение отношения сигнала к шуму при измерении центральной длины волны - 40 дБ.
Из графиков на рисунках 2.10 - 2.13 также видно, что при отклонении центральной длины волны излучения от середины рабочего диапазона (628,7 нм) наблюдается повышение точности измерения ширины спектра и снижение точности измерения центральной длины волны. При увеличении ширины спектра оптического излучения увеличивается точность определения ширины спектра и снижается точность измерения центральной длины волны.
При наличии мультипликативной составляющей шума [106] измеряемый сигнал на выходе «-го фотоприемника принимает вид: 1000 ип=(1 + Кш) \SnYxdX (2.34) Шум задан с нормальной плотностью распределения. Графики зависимости СКО центральной длины волны и ширины спектра СИД в зависимости от отношения сигнал/шум (SNR) для различных значений центральной длины волны и ширины спектра излучения СИД представлены на рисунках 2.14 - 2.17, при этом отношение сигнала к шуму рассчитывалось по формуле:
Исследование сдвига центральной длины волны излучения светодиода при изменении температуры кристалла в динамическом режиме работы
Для оценки метрологических характеристик разработанной экспериментальной установки с ДФЭП и оптоволоконной оптической схемой деления оптического излучения были проведены исследования красных светодиодов различных марок в установившемся и динамическом режимах. Результаты измерений параметров спектра сравнивались с измерениями на спектрометре фирмы OkeanOptic [109]. Измерение центральной длины волны излучения СИД в установившемся режиме. Для определения точности измерения центральной длины волны светодиода проведены измерения на 50 СИД типа L-52SRCDW красного свечения с центральной длиной волны 635 нм. Более подробно параметры СИД описаны в разделе 2.3.
Результаты измерений центральной длины волны, полученные на экспериментальной установке с оптоволоконной схемой деления оптического излучения, сравнены с измерениями центральной длины волны на спектрометре USB2000+VIS-NIR-ES фирмы Ocean Optics [152] со спектральным диапазоном 349 – 1028 нм и кремниевой линейной ПЗС на 2048 пикселей. Оптическое разрешение спектрофотометра составляет 1,5 нм.
При измерении параметров спектра спектрометром на СИД подавался питающий ток величиной 30 мА в течение 60 секунд для прогрева СИД, после чего проводилось измерение спектра излучения. В качестве источника питания СИД использовались химические источники с возможностью регулировки тока. Для контроля величины протекающего тока использовался мультиметр M830BZ. Погрешность измерения питающего тока не более 1,5%. Для уменьшения влияния случайной погрешности, вызванной, в первую очередь, шумами, наблюдения проводились 20 раз. Результаты измерений приведены в приложении А.
Анализ полученных данных показал, что максимальное абсолютное отклонение центральной длины волны партии исследуемых СИД от значений, полученных на спектрометре, составило 2,7 нм, а относительное – 0,43%. Разброс значений абсолютного отклонения центральной длины волны не вышел за пределы интервала от 2,36 до 2,7 нм. Математическое ожидание разности показаний центральной длины волны экспериментальной установки и спектрометра составило 0,61 нм (что может свидетельствовать о наличии неисключенной систематической погрешности), а СКО – 1,18 нм. Гистограмма отклонений приведена на рисунке 4.1.
Предельное среднеквадратическое отклонение результатов полученных на экспериментальной установке от показания полученных на спектрометре равное ±3 составило ±3,54 нм или 0,6% при длине волны 635 нм.
Исследование параметров спектра СИД в динамическом режиме работы. Проведен сравнительный анализ результатов измерения центральной длины волны СИД в динамическом режиме работы на выборки из десяти СИД. В ходе эксперимента на СИД подавались импульсы тока величиной 30 мА с частотой следования 1 кГц. Скважность импульсов менялась от 20 до 1,1. Результаты измерений центральной длины волны выборки СИД на спектрометре с и экспериментальной установке x представлены в таблице 4.1.
При увеличении коэффициента заполнения у всех СИД наблюдается смещение спектра в ИК область, как на спектрометре, так и на экспериментальной установке. Смещение спектра связано с разогревом кристалла СИД.
Анализ полученных данных показал, что максимальное абсолютное отклонение центральной длины волны партии исследуемых СИД от значений, полученных на спектрофотометре, составило 8,7 нм, а относительное – 1,3%. Разброс значений абсолютного отклонения центральной длины волны не вышел за пределы интервала от 8,7 до 0,8 нм. Математическое ожидание разности показаний центральной длины волны экспериментальной установки и значений центральной длины волны, полученных на спектрометре, составило 3,1 нм, а СКО – 4,7 нм. Гистограмма отклонений приведена на рисунке 4.2. Рис. 4.2. Гистограмма распределения разности значений центральной длины волны излучения СИД, измеренных на спектрофотометре и экспериментальной установке
Из проведенного анализа видно, что в импульсном режиме работы наблюдаются большее отклонение в сравнении с результатами измерений в установившемся режиме.
На основании полученных данных можно сделать следующие выводы: 1. В установившемся режиме работы СИД спектрометр и экспериментальная установка показывают близкие результаты, что свидетельствует о высокой точности исследуемого способа; 2. В динамическом режиме работы СИД расхождение показаний спектрометра и экспериментальной установки увеличивается.
Исследование параметров спектра лазера [85]. Еще одним источником оптического излучения с узким спектром являются лазеры. В ходе исследования погрешности экспериментальной установки был проведен эксперимент определения центральной длины волны гелей-неонового лазера, центральная длина волны которого по данным измерений на монохроматоре МДР 3 составила 630,5 нм. Исследования проводились в установившемся режиме работы лазера. Результаты измерений приведены в таблице 4.2. Наблюдения повторялись 10 раз.
Анализ полученных данных показал, что максимальное абсолютное отклонение центральной длины волны исследуемых лазеров от значений, полученных на спектрометре, составило 1,9 нм, а относительное – 0,3%. Разброс значений абсолютного отклонения центральной длины волны не вышел за пределы интервала от -1,9 до 0,1 нм. Математическое ожидание разности показаний экспериментальной установки и спектрометра составило -0,7 нм, а СКО – 0,5 нм (рисунок 4.3).